除焦控制系统的制作方法

本发明涉及石油化工领域，具体地，涉及一种除焦控制系统。

背景技术：

将原油加工成汽油、柴油、润滑油等的石油炼制操作经常产生残油。可利用延迟焦化设备将残油加工成有价值的碳氢化合物产品。在延迟焦化设备中，残油在加热炉中被加热到足以产生分解蒸馏的温度，其中大部分残油被转化或“裂化”成可用的碳氢化合物产品，而剩余物生成石油焦炭(简称焦炭)在焦炭塔内沉积生焦。当焦炭塔生焦到一定高度后停止进料，而切换至另一焦炭塔进行生焦。切换后，老塔内的焦炭先要经过一系列冷却处理，然后被清除，清除焦炭的过程被称为除焦。整个除焦过程可分为六个步骤，即下钻、钻孔、扩孔、切焦、扫塔、提钻。

随着延迟焦化装置的大型化、自动化和对其环保要求的提高，各企业对除焦机械自动化的要求越来越高，特别是对除焦对环境的影响和其操作的安全性的要求越来越高。国外个别企业开始尝试采用全自动化除焦，但其对所采用的技术进行严格保密，我国炼油厂如想引进相关设备需要支付非常昂贵的费用，还可能面临技术歧视等问题。国内各个炼油厂也积极尝试将自动化机械应用于顶盖机、底盖机和除焦控制阀等单项设备。不过由于钻杆等关键部件的控制仍采用人工控制，而且缺乏完善的全程监控和流程控制，还远未形成可远程控制的全自动除焦系统，目前位置各炼油厂仍需要作业人员在现场进行除焦作业。

现场除焦作业中，一方面由于有害气体和/或焦炭可在焦炭塔的顶/底盖机开/关时发生外泄或外漂，危害现场作业人员的身体健康。并且重复的劳动 易使作业人员丧失安全意识。在国内，因顶盖机误开、高温阀门误开或误关等导致的焦炭塔区域着火事故时有发生，并且由于塔顶作业人员所处位置较高，在故障发生时无法及时逃生，其人生安全受到极大威胁。另一方面，作业人员依靠经验进行操作，易产生误判断，引起顶钻、除焦不干净等事故，既会污染环境，也给焦化装置的运行带来安全隐患。因此，开发可远程操控的自动除焦系统已势在必行。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种系统，通过应用该系统可实现全自动除焦。

为了实现上述目的，本发明公开了一种除焦控制系统，该除焦控制系统可包括：顶盖机子系统和底盖机子系统；钻具控制子系统，包括顶部驱动装置、钻机绞车控制器和传感器，顶部驱动装置用于控制钻具的旋转，钻机绞车控制器用于控制钻机绞车进而控制钻具的升降，传感器用于采集现场信息；水泵控制子系统，包括水泵出口控制阀、除焦控制阀、塔顶隔断阀和监测仪表，除焦控制阀用于控制所述水泵的输出流量；以及中央控制子系统，中央控制子系统接收来自其他子系统的信息，对接收到的信息进行分析，并且向其他子系统发出控制指令。

优选地，中央控制子系统联锁控制指令中的部分或者全部。

优选地，该除焦控制系统还包括人机交互终端，作业人员通过所述人机交互终端输入控制指令。

优选地，人机交互终端与中央控制子系统间通过工业以太网进行通信。

优选地，钻具控制子系统中的传感器包括限位开关，用于探测钻具是否接近限位开关。

优选地，钻具控制子系统中的传感器包括钻具位移检测传感器，用于 检测所述钻具的位移。

优选地，钻具控制子系统中的传感器包括除焦效果传感器。

优选地，除焦效果传感器可包括振动传感器和/或声音传感器，振动传感器可被安装在焦炭塔内壁上。

优选地，钻具控制子系统中的传感器包括用于测量所述钻机绞车的钢绳拉力的传感器。

优选地，顶部驱动装置采用电动驱动、液压驱动或者气动驱动。

优选地，顶部驱动装置为电动变频水龙头。

优选地，钻机绞车控制器是变频钻机绞车控制器。

优选地，除焦控制阀为三位阀。

优选地，该除焦控制系统还包括用于扶正钻杆的塔口扶正子系统，塔口扶正子系统包括用于检测钻头与焦炭塔中心位置间的偏移量的偏移检测传感器。

优选地，该除焦控制系统还包括图像采集子系统，可用于采集反映除焦现场的作业状况的图像，该图像采集子系统可被安装在相当于现有除焦系统的操作现场的人工作业平台处。

通过上述技术方案，可实现对除焦过程的远程、自动化控制。中央控制子系统可根据传感器和仪表采集的信息向其他子系统发送联锁控制指令，并对作业过程进行实时调整。根据需要，作业人员也可通过人机交互终端输入控制指令，以对某些步骤进行人工控制，甚至可以在中央控制子系统的控制功能出现故障时旁路中央控制子系统的控制功能。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与 下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是示出根据本发明的一个优选实施方式的除焦控制系统的示例方框图；以及

图2是应用本发明的一个优选实施方式的除焦控制方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明公开了一种除焦控制系统，该除焦控制系统可包括：顶盖机子系统和底盖机子系统；钻具控制子系统，包括顶部驱动装置、钻机绞车控制器和传感器，顶部驱动装置用于控制钻具的旋转，钻机绞车控制器用于控制钻机绞车进而控制钻具的升降，传感器用于采集现场信息；水泵控制子系统，包括水泵出口控制阀、除焦控制阀、塔顶隔断阀和监测仪表，除焦控制阀用于控制所述水泵的输出流量；以及中央控制子系统，中央控制子系统接收来自其他子系统的信息，对接收到的信息进行分析，并且向其他子系统发出控制指令。

图1是示出根据本发明的一个优选实施方式的除焦控制系统的示例方框图。如图所示，该除焦控制系统可分为顶盖机子系统102、底盖机子系统103、钻具控制子系统104、水泵控制子系统105、塔口扶正子系统106、图像采集子系统107、中央控制子系统101和人机交互终端108。中央控制子系统101可从各个子系统接收信息，并对接收到的信息进行分析。中央控制子系统101和/或人机交互终端108可向各个子系统发送控制指令。

顶盖机子系统102可根据指令执行开盖或关盖操作。顶盖机子系统102 具有电动执行器，该电动执行器可驱动阀板移动以实现阀位切换，其具有结构简单、易于实现远程自动控制的优点。顶盖机子系统102可采用阀门密封技术，其密封面是阀座和阀板的接触面，密封力由内置高温弹簧通过浮动阀座施加给阀板。并且，顶盖机子系统102可采用金属硬密封，可在阀腔内通过蒸汽进行辅助密封，以确保密封可靠和无泄漏。可对密封面进行表面硬化处理，以提高密封性能和使用寿命。

底盖机子系统103可根据指令执行开盖或关盖操作。底盖机子系统103可采用单阀板、单密封面设计，其结构简单，重量轻。并且，底盖机子系统103可采用可变密封力设计，在密封时用大密封力，在阀位切换时用小密封力。具体地，底盖机子系统103可在密封时主动施加密封力，以获得高密封比压，以具有泄露少和蒸汽消耗少的优点；在阀位切换时，由于采用的密封力较小，使得密封件磨损小，以延长密封件的使用寿命。在本实施方式中，可采用液压螺栓作为密封力执行元件，其作用力大且调整简便。底盖机子系统103可具有多个(例如两个)互为备用的液压系统泵组，以确保系统的可靠性。

本实施方式中，钻具控制子系统104可包括用于控制钻具旋转的顶部驱动装置1401、用于控制钻机绞车进而控制钻具升降的控制器1402，还可包括多个传感器1403。

顶部驱动装置1401可采用整装式密封设计，易于维修和更换。顶部驱动装置1401与钻杆间可通过法兰连接。顶部驱动装置1401可由电动驱动、液压驱动或者气动驱动。优选地，可采用电动变频水龙头作为顶部驱动装置1401。传统的顶部驱动装置可包括水马达和风动水龙头，其转速需要由人工调节，并且无法判断水马达是否被焦炭卡住，同时风动水龙头的输出功率较小，通常为4kW(千瓦)左右，所以提供给钻杆的扭矩较小。而对于电动变频水龙头来说，由其所驱动的钻杆的旋转速度可由中央控制子系统101或人 机交互终端108设置，并且其输出功率较高，可对钻杆施加较大的扭矩，以有效避免卡钻。本实施方式中所采用的电动变频水龙头1401的功率可达到11kW，扭矩可达到600牛顿米(Nm)。

可通过钻机绞车控制器1402控制钻机绞车的运行，进而控制钻具的升降。钻机绞车控制器1402可以是变频控制器。钻机绞车可采用带PG(编码器)的矢量变频调速装置，同时由中央控制子系统101或者人机交互终端108进行逻辑顺序时间等控制，来实现变频调速。由于除焦工艺的需要，钻机绞车需要频繁的上下、开停，采用变频调速控制方式对电机来说是最好的软启动方式。在这种情况下，启动电流可被限制在额定值内，以减小对电网的冲击，免除电机的机械损伤，减小供电回路的开关容量，减轻设备维护量。通过与电机轴相连的PG(编码器)可将精确的转速信号传送给变频器，使之实现更精确的速度控制。变频调速装置能够保证电动机平稳运转，特别是在低速时有足够转矩输出以防止低速抖动，在电动机起动和停止时通过极好的力矩控制特性，配合抱闸的开闭，实现无跳变的速度控制特性。下钻过程中，制动单元的制动电阻可释放多余能量，避免溜钻危害。此外，当变频器1402出现故障时，可自动切断变频器1402的电源，并输出报警信号。此时，可将钻机绞车切换为工频运行方式，继续操作。待故障点排除后再恢复为变频运行。

本实施方式中，钻具控制子系统104中还可包括多个传感器1403。传感器1403可包括限位开关(例如，非接触式接近开关)。可采用本安型的具有冗余配置的接近开关作为限位开关。限位开关可被安装在焦炭塔的井架导轨上。限位开关的安装位置可对应于下列位置中的部分或者全部：上限位，停车驻点位，原点位，拱顶清焦位，入塔位(例如，距离原点位5米处)，下限位等。当钻具接近某个限位开关时，该限位开关可输出信号，从而可获取钻具的当前位置。

传感器1403中还可包括钻具位移检测传感器。钻具位移检测传感器可被安装在钻机绞车的卷筒上，其可通过检测卷筒的旋转圈数来得到钻具在焦炭塔内的位置。

传感器1403中还可包括除焦效果传感器。本实施方式中，除焦效果传感器可包括振动传感器和声音传感器。该振动传感器是耐高温耐撞击的振动传感器。振动传感器可被安装在焦炭塔的外壁上。当塔壁上有焦炭时水冲击塔壁产生的振动和当塔壁上没有焦炭时水冲击塔壁产生的振动不同，并且塔壁上的焦塔厚度不同时水冲击塔壁产生的振动也不同，因此，可通过振动传感器输出的信号分析除焦效果。可在每个焦炭塔的塔壁上从上之下均匀分布多个(例如，5个)振动传感器。声音传感器可被安装在塔壁处。当塔壁上有焦炭时水冲击塔壁产生的声音和当塔壁上没有焦炭时水冲击塔壁产生的声音不同，并且塔壁上的焦塔厚度不同时水冲击塔壁产生的声音也不同，因此，可通过声音传感器输出的信号分析除焦效果。

传感器1403中还包括用于测量钻机绞车的钢绳拉力的传感器。该传感器可被安装在动滑轮组钢绳的末端，以直接测量钢绳上的拉力。通过测量钢绳的拉力，能反映钻具是否顶到焦炭(即顶钻)或卡钻，并可在钢绳松弛或张紧时及时报警。因为切焦时的钢绳拉力大于钻孔时的钢绳拉力，通过分析钢绳拉力还能反映当前钻具在执行切焦操作还是钻孔操作，以及反映高压水是否上塔顶等。

水泵控制子系统105包括水泵出口控制阀(例如水泵出口隔断阀)1051、除焦控制阀1052、塔顶隔断阀1053和监测仪表1054。水泵出口控制阀1051用于控制水泵(例如，高压水泵)的启动和关闭。只有钻具下降到预定位置、塔顶隔断阀1053打开、除焦控制阀1051处于“回流”位置等条件都满足时，才可启动高压水泵。可通过控制除焦控制阀1052来控制水泵的输出流量。优选地，可采用三位阀作为除焦控制阀。本实施方式中，电动三位阀1052 的芯阀的三个位置与水泵输出流量间的对应关系如下所示：(1)“回流”位置，通常在水泵启动前，除焦控制阀处于“回流”位置以减小启动电流及防止出口憋压，有利于保护水泵；在正常除焦时，经由“回流”位置可使得切焦器能够在“钻孔”和“切焦”两种状态间自动切换；(2)“预充”位置，此状态下，水泵以小流量的方式将水充满除焦管线，以避免水锤现象；(3)“全开”位置，此时水泵输出较大流量，可进行全流量除焦。监测仪表1054可包括监测水泵机组的仪表、监测高压水管线的仪表等。可通过仪表监测高位水罐的液位和入口压力、润滑油系统的压力和液位、水泵机组的温度/振动/位移等。

根据本发明的优选实施方式的除焦控制系统中，还包括用于扶正钻杆的智能化塔口扶正子系统106。塔口扶正子系统106可包括用于检测钻头与焦炭塔中心位置间的偏移量的偏移检测传感器，中央控制子系统101可根据偏移检测传感器的检测结果控制相关设备扶正钻具，使得在下钻时钻头能够顺利进入塔内，并在除焦时保证钻头始终位于塔中心，避免钻头堵钻或碰触塔壁。也可由作业人员根据该检测结果向人机交互终端108输出相应的控制指令以扶正钻具。

优选地，根据本发明的除焦控制系统还可包括图像采集子系统107，其可被安装在相当于现有除焦系统的操作现场的人工作业台(具体地，例如塔顶的溜槽)处，以替代目前的现场作业人员的视角，使得作业人员可通过人机交互终端108中的图像显示设备观察现场图像。

中央控制子系统101可从各个子系统接收信息，对所接收到的信息进行分析，并向各个子系统发送控制指令。中央控制子系统101的控制功能可由可编程逻辑器件(PLC)来实施。进一步地，中央控制子系统101可联锁部分控制指令甚至全部控制指令。例如，可联锁“下钻”—“打开塔顶隔断阀”操作。在发出“下钻”指令后，中央控制子系统101可监测钻具位移，当钻 具到达入塔位时，中央控制子系统101可发出指令以控制该焦炭塔的塔顶隔断阀自动打开。以上示例仅是为了说明的目的，根据需要，联锁控制指令可具有一定延时，可仅联锁某几步操作，也可联锁整个除焦过程的众多操作。通过灵活的联锁设置，既可实现作业的自动化，也可在必要时进行人工控制和干预。

该除焦控制系统还可包括人机交互终端108，作业人员可通过人机交互终端108输入控制指令，并可在人机交互终端108上观测各个子系统所采集的信息和/或中央控制子系统108对采集到的信息进行的分析后得到的结果和发出的指令。人机交互终端108与中央控制子系统101间可通过工业以太网进行通信。根据本发明的另一实施方式，人机交互终端108还可不通过中央控制子系统101直接与顶盖机子系统102、底盖机子系统103、钻具控制子系统104、水泵控制子系统105、塔口扶正子系统106、图像采集子系统107等相连。全自动除焦虽然高效方便，但在实际运行过程中，因安全联锁接点多，运行现场环境恶劣，一旦关键的控制检测元件或逻辑处理元件发生故障而又无配件，如果不能在短时间内排除故障，将影响除焦工作的进行，进而影响装置的进料。因此在自动除焦控制系统的基础上增加“手动功能”，作为临时应急措施，使控制功能不经过PLC，以在没有安全联锁保护的情况下维持除焦，为处理问题赢得时间。可在远程操控室和作业现场各布置一台人机交互终端108，使得作业人员既可进行远程操控，也可进行现场就地除焦。

图2是应用本发明的一个优选实施方式的除焦控制方法的流程图。

步骤S1，可执行选塔和选泵操作。在选塔和选泵前，通常需要进行系统自检，当自检结果满足要求时，可执行选塔和选泵操作。可选择对哪个焦炭塔进行除焦操作，以及此次使用哪个水泵进行除焦。通常，在后续操作中，只有被选定的塔所对应的顶部驱动装置和钻机绞车才可被启动。

步骤S2，可打开被选中的焦炭塔的顶盖机和底盖机。

步骤S3，可执行下钻操作。当钻具经过停车位、原点位、拱顶清焦位、入塔位等重要位置时，安装在相应位置的限位开关可发出信号，也可根据钻具位移检测传感器的检测结果得到钻具的位置。当钻具到达入塔位(例如，入塔5米时)时，可打开该焦炭塔的塔顶隔断阀，并确保除焦控制阀处于“回流”位置，然后启动所选中的水泵。在启动水泵前，除焦系统需要先通过自检以确定是否具备启动水泵的条件。若具备条件则显示水泵可启动；若条件不具备则可向作业人员发出提示，直至水泵启动条件被满足。

步骤S4，可钻具继续下降到一定深度时(例如，入塔8米)，可执行钻孔操作。在执行钻孔操作前，需要先确认水泵已处于稳定运行状态。钻孔时，电动三位阀可先从“回流”切换至“预充”，当预充压力达到预定值后，电动三位阀可切换至“全开”。此时，可启动顶部驱动装置。可对顶部驱动装置进行设置，以使钻具以设定的速度旋转，并且可对钻机绞车控制器进行设置，以使钻具缓慢下降。当钻具下行至下限位时，表示钻孔结束。

步骤S5，可执行扩孔操作。钻孔结束后，电动三位阀可被切换至“回流”，并将钻具上提至设定位置。随后，电动三位阀可切换至“预充”，当预充压力达到预定值后，再切换至“全开”，以执行全流量扩孔。扩孔过程中，钻具可在该设定位置和下限位间反复升降多次(例如，两次)。每次到达下限位时，需要将电动三位阀切换至“回流”，再将钻具上提回设定位置，然后进行预充，预充达到一定压力后电动三位阀切换至“全开”，以继续扩孔或者切焦(如果扩孔完成)。

步骤S6，可执行切焦操作。扩孔完成后，可执行切焦。可将塔内的焦炭分成若干段，按照从上之下的顺序逐段切焦。每段的长度可由中央控制子系统自动设置或者由作业人员通过人机交互终端设置。切焦过程中，不仅需要监测除焦水压力、钢绳拉力变化、钻具位置等，还需要通过除焦效果传感 器判断除焦是否干净，直至判断某一段焦炭被除干净，再对下一段焦炭执行切焦。本实施方式中，除焦效果传感器包括振动传感器和声音传感器。切割下的焦炭可能会堵住之前开凿的孔位。在除焦过程中，如果测量到钻机绞车的钢绳拉力突然减小并且小于第一阈值(例如，可取比钻具处于停车位时的钢绳拉力值小2000～3000N(牛顿)的值为第一阈值)，则可认为发生顶钻。此时可使钻具停止下降，并通过人工控制提升钻具直至测量到的钢绳拉力恢复正常值。然后可执行钻孔操作，将被堵的孔位打通。随后，继续执行切焦操作，直至塔内的所有焦炭被除干净。可通过测量钻机绞车的钢绳拉力得到钻具的工作状态。可设置第二阈值，当钢绳拉力大于第二阈值(例如，可取比钻具处于停车位时的钢绳拉力值大400～500N的值为第二阈值)时，可判断钻具为切焦状态；当钢绳拉力小于第二阈值时，可判断钻具为钻孔状态。每一次切焦/钻孔和钻孔/切焦切换时，电动三位阀都需要先从“全开”切换至“回流”，再从“回流”切换至“预充”，当预充压力到达设定值后，再切换至“全开”。

步骤S7，可执行扫塔操作。切焦完成后，还需要执行扫塔以确保除焦干净。此时，钻具可在一定范围内上升/下降，此过程中，可根据除焦效果传感器的输出信号判断是否有除焦不干净的部位，并且可进一步通过安装在溜槽处的图像采集子系统采集到的图像判断除焦是否干净。如果发现某个部位除焦不干净，则可对该部位进行进一步的切焦操作，直至确认塔内除焦干净。

步骤S8，可执行提钻操作。首先，可停止钻具的顶部驱动装置的运行，将三位阀切换至“回流”状态，并延迟一段时间后(例如，为了使连接高压水管线和顶部驱动装置的高压胶管及钻杆内的水排空以防止冻裂等)关闭塔顶隔断阀。然后，可通过钻机绞车控制器控制钻机绞车进而控制钻具以一定速度向上提升。上提过程中，钻具可依次通过拱顶清焦位—原点位—停车位，并最终停在停车位。

步骤S9，可复位除焦系统。可将相应开关和/或阀门切换至复位状态，并切断相关设备的电源。

此外，在除焦过程中，还可通过扶正子系统确保钻头位置始终对应于焦炭塔的中心位置。

上述过程中的任意指令可由中央控制子系统根据联锁设置自动发出，也可由作业人员通过人机交互终端发出。中央控制子系统中的控制功能可由可编程逻辑器件(PLC)实施。中央控制子系统还可对接收到的数据进行分析，并可将分析结果发送至人机交互终端。作业人员可通过人机交互终端了解除焦系统的运行。中央控制子系统和人机交互终端间可使用工业以太网进行通信。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。